„Habe nun ach! Philosophie, Juristerei und Medizin, und leider auch Theologie! durchaus studiert mit heißem Bemühn. Da steh ich nun, ich armer Tor! und bin so klug als wie zuvor; heiße Magister, heiße Doktor gar, und ziehe schon an die zehen Jahr herauf, herab und quer und krumm meine Schüler an der Nase herum – und sehe, dass wir nichts wissen können!

Das will mir schier das Herz verbrennen!“ 

- Faust I, S. 354–365

Naturkonstante

Naturkonstanten (auch: physikalische Konstanten) sind ewige und fundamentale physikalische Größen der Natur.

Egal, welche Manipulation man an einer der Naturkonstanten vornimmt oder an welchem Ort und zu welcher Zeit man sie misst, ihr Wert ist und bleibt stets gleich groß. In dieser Hinsicht ist eine Naturkonstante ewig.

Fundamental sind Naturkonstanten, weil sie im Rahmen der betreffenden Theorie nicht durch weitere Naturgesetze hergeleitet werden können. Umgekehrt sind jedoch alle anderen Ausmaße der Natur mithilfe der Naturkonstanten ableitbar.

Einige sehr bekannte Naturkonstanten sind die Lichtgeschwindigkeit c, das Plancksche Wirkungsquantum h und die Gravitationskonstante G. Diese zählen außerdem zu den drei fundamentalen Naturkonstanten.

Warum aber differenziert man unter den sowieso schon recht fundamentalen Naturkonstanten noch ein weiteres Mal in fundamentale Naturkonstanten?

Nun, fundamentale Naturkonstanten gelten für alle Teilchen und Wechselwirkungen gleichermaßen, während sich die sog. elementaren bzw. grundlegenden Naturkonstanten „nur“ auf einzelne Teilchenarten und Wechselwirkungen beziehen.

Fundamentale Naturkonstante

Wert

Lichtgeschwindigkeit (c)

299 792, 458 km/s

Plancksches Wirkungsquantum (h)

6,626 · 10^−34 Js

Gravitationskonstante (G)

6,673  · 10^−11 (m^3) / (kg·s2)

 

Elementare Naturkonstanten (Auswahl)

Wert

Boltzmann-Konstante (kB)

8,617 · 10−5 eV / K

Elektronenmasse (me)

9,109 · 10−31 kg

Elementarladung (e)

1,602 · 10−19 C

Feinstrukturkonstante (α−1)

7,297 · 10−3

Feinabstimmung

Das Wesen des Universums wird von seinen essenziellen Parametern, den Naturkonstanten, maßgeblich mitbestimmt. Aber warum sind die Naturkonstanten eigentlich so wie sie sind und nicht anders? Und damit verknüpft: Wieso scheinen die Naturkonstanten gerade so geeicht zu sein, dass Leben im Universum entstehen konnte? Eineinhalb hochinteressante Fragen. Wäre auch nur eine Naturkonstante ein wenig stärker oder schwächer, sehe unser Universum in den meisten Fällen gänzlich anders aus. So anders, dass es kein Leben auf unserem Planeten gäbe.

Ein paar Dinge vorne weg: Ob es eine Feinabstimmung der Naturkonstanten tatsächlich gibt ist genauso umstritten wie die Annahme, dass diese notwendig für die Erklärung von Natur oder Leben ist. Auch die vielen Lösungsvorschläge dieses Problems sind allesamt kontrovers. Kurz gesagt ist hier, wie leider fast immer wenn es ins Philosophische geht, mal wieder alles umstritten.

Kosmologische Evolution

Bereits kurz nach dem Urknall setzt die Geschichte der Feinabstimmung ein. Und damit auch das Problem mit jener. Hätte sich das Universum zu dieser Zeit nur ein bisschen weniger stark ausgedehnt, wäre alles wieder in sich kollabiert und es gäbe keine Atome, keine Moleküle und erst recht kein Leben. Wenn es dagegen zu schnell expandiert wäre, hätte sich die gesamte Materie so weit im Raum verteilt, dass es wiederum nie zu einer Stern- oder Planetenbildung gekommen wäre. Das gesunde Zwischenmaß war winzig, das Universum musste und traf es mit einer Genauigkeit von 1 zu 1057, damit das mit uns hinhaut.

Zumindest für diese Feinabstimmung haben wir eine Lösung. Oder sagen wir, so etwas wie die Ahnung von einer theoretisch möglichen Lösung. Im heutigen Standardmodell der Kosmologie geht man nämlich davon aus, dass der Kosmos unmittelbar nach dem Urknall eine Phase extrem rascher Expansion durchlaufen hat und erst nach dieser Inflationsphase auf das heutige Tempo abbremste. Wenn dem wirklich so wäre, könnte dies das Problem dieser einen Feinabstimmung lösen. Es bleiben jedoch eine lange Reihe weiterer Parameter, die genau den Wert haben, den sie haben müssen, damit es uns geben kann. Doch keiner weiß wirklich, wieso sie diesen Wert haben.

Die Massen der Atombausteine sind beispielsweise solche auf unerklärlicher Weise gut abgestimmten Werte. Warum sind Nukleonen so schwer, wie sie nun mal sind? Wäre die Masse des Elektrons im Verhältnis zur Masse des Protons auch nur ein klein wenig anders, hätte das verehrende Folgen: Es würde keine Materie in der Form, wie wir sie heute kennen, mehr geben. Genau das gleiche würde auch passieren, wenn das Verhältnis zwischen starker Kern- und elektromagnetischer Kraft nicht exakt so wäre, wie es in Wirklichkeit ist.

Bei genauerer Betrachtung finden sich diverse weitere Variablen, die nicht anders sein dürften. Etwa die Eigenschaften von Atomen, die im Inneren von Sternen fusionieren. Auch hier wäre kein Leben denkbar, wenn die Attribute nur ein klein wenig von den jetzigen abweichen würden. Aber vielleicht ist die Frage, warum alles so ist, wie es ist gar nicht sinnvoll? Denn wenn das Alles nicht so wäre wie es ist, dann wäre auch niemand da um zu fragen, warum die Dinge so sind wie sie sind. Auf diese Weise versuchen die Vertreter des anthropischen Prinzips dem Problem mit der Feinabstimmung aus dem Weg zu gehen. Ihre Gegner entgegnen das anthropische Prinzip sei zirkulär und löse das Problem keineswegs.

Eine verwandte Möglichkeit das Feinabstimmungsproblem zu lösen steckt wohlmöglich in der Stringtheorie oder der Vielen-Welten-Theorie, die beide ein Schlupfloch für Multiversen bereithalten. Die Idee dahinter ist einfach: Wenn die Anzahl der Planeten nur hoch genug ist, wird auch etwas im Einzelnen hoch Unwahrscheinliches wie die Entstehung vom Leben in der Summe wieder wahrscheinlich. Oder anders gesagt: Bei gegen unendlich vielen Planeten muss irgendwo Leben entstehen können.

Dieses Argument funktioniert natürlich nur, wenn es tatsächlich so unfassbar viele Planeten (sei es in einem schier unendlich großen Universum, oder in zig Paralleluniversen) mit vielen unterschiedlichen Eigenschaften gibt. Dann geht die Wahrscheinlichkeit von der Entstehung von Leben insgesamt gegen 1 und folgerichtig werden die Lebewesen dann auch in exakt jenem Universum / auf exakt jenem Planeten leben, in dem lebensfreundliche Bedingungen und damit die Ausnahme vorherrscht. Daran ist nichts Verwunderliches.

Und naturgemäß werden sich dann diese Lebewesen dann fragen, warum wir? Warum sind die Naturkonstanten hier so lebensfreundlich eingestimmt? Das kann doch nicht ohne höhere Mächte erklärt werden. Doch, mit Wahrscheinlichkeitsrechnungen. Wir sind eine wahrscheinliche Unwahrscheinlichkeit. In den Paralleluniversen, die nie über den Urknall hinauskamen, wird diese Frage nie gestellt werden.

Möglicherweise löst sich das Problem der Feinabstimmung aber auch ganz von selbst. Die Erforschung der Naturkonstanten ist ja kein eindimensionales Feld, sondern in vielerlei Hinsicht mit anderen Erkenntnissen aus den Naturwissenschaften verknüpft. Ändert sich unser Weltbild an der einen Ecke, hat das nicht selten auch Auswirkungen auf zig weitere Annahmen. Vielleicht gibt es ja eine übergeordnete Theorie, die uns erklärt, dass die Naturkonstanten nur so und gar nicht anders sein können?

Die Chancen auf eine solche Theorie stehen ganz gut. Bisher beschreiben unsere physikalischen Theorien ja vorwiegend das Innere des Universums und das auch erstaunlich gut. Nur über die Rahmenbedingungen sagen sie uns noch recht wenig. Das könnte sich nun ruckzuck ändern, etwa mit einer möglichen Quantengravitationstheorie (insbesondere der Stringtheorie), von der man sich erhofft, dass sich die Werte der Naturkonstanten unweigerlich aus ihr ergeben. Dann hatte das Universum gar keine andere Chance als so zu sein, wie es ist.

Oder ist das Feinabstimmungsproblem gar keines? Gehen wir davon aus, Sie suchen auf einem Planeten ohne Wasser nach Leben. Wonach werden Sie Ausschau halten? Es ist schwierig eine Antwort auf diese Frage zu bekommen, weil wir nur nach solchem Leben suchen können, das wir auch auf der Erde kennen. Tatsächlich könnte aber auch ein stinknormal erscheinender Stein ein Lebewesen sein, das halt ganz anders „lebt“ wie unsereins. Nur weil wir uns keine andere, mögliche Art des Lebens vorstellen können, das auf einem Planeten oder in einem Universum mit anderen Attributen und Parametern existiert, folgt daraus noch lange nicht, dass es dort kein Leben geben kann.

Wir wissen schlichtweg nicht, ob sich in anderen Universen nicht irgendeine Art von Leben entwickelt haben kann. Dazu ist unsere Sicht auf die Dinge noch zu beschränkt. Vielleicht existieren in höherdimensionalen Universen Wesen, die sich nicht vorstellen können, dass in einem Universum wie dem unseren etwas leben kann? Und vielleicht fragen sich diese Wesen genauso wie wir, warum die Naturkonstanten gerade (ihre Art von) Leben zu bevorzugen scheinen? In diesem nicht auszuschließenden Fall wäre das Problem mit der Feinabstimmung nur ein Scheinproblem.

Gestehen wir es uns ein: Wir wissen nicht, ob es eine Feinabstimmung, ein Problem damit und eine naturalistische Lösung dafür gibt. Wie immer an solchen Stellen sind Leute mit einem Hang zur Transzendenz nun versucht, „Gott“ mit ins Spiel zu bringen: Er könnte doch die Naturkonstanten so kalibriert haben, wie sie sind, um uns darauf hervorbringen zu können? Ja, könnte sein. Könnte aber auch nicht sein. Und solange die vermeintliche Alllösung „Gott“ keine empirisch falsifizierbaren Vorhersagen erlaubt, ist sie zumindest physikalisch nicht relevant. Alles in allem wird das Rätsel um die Naturkonstanten also noch eine Weile seiner finalen Antwort harren.

2. Nicht-konstante Naturkonstanten?

Diese Überschrift mag wie ein schlechter Hoax erscheinen: Wenn Naturkonstanten nicht konstant wären, so würde man sie doch nicht Naturkonstanten nennen. Tatsächlich war man sich bei ihrer Benennung sicher, dass „Naturkonstanten“ auch konstant sind, mittlerweile gibt es aber Hypothesen, nach denen sich bestimmte Naturkonstanten im Laufe der kosmologischen Evolution geändert haben könnten und somit gar keine wirklichen Konstanten sind.

Wer Naturkonstanten und diese Hypothesen verstehen möchte, der sollte sich zuallererst einmal ansehen, wie Physik grundlegend funktioniert. Im Regelfall ist die Physik eine induktive Wissenschaft, das heißt, sie macht Beobachtungen und gießt dann ihr neugewonnenes Wissen über die Natur in Gleichungen, mit denen die Zusammenhänge mathematisch dargestellt werden können. Diese Gleichungen enthalten Größen wie den Meter oder die Sekunde, die pragmatisch nach den Beobachtungen – aber ohne eine tiefere Logik dahinter – festgelegt werden. U.a. um dieser Willkür (wäre der Asteroid vor 4,5 Milliarden Jahren mit einem anderen Winkel eingeschlagen, wäre unser Meter, der lange Zeit über sein Verhältnis zum Erddurchmesser definiert wurde, ein anderer) entgegenzuwirken, fügt man den Gleichungen Konstanten hinzu.

Nahezu alle physikalischen Gleichungen enthalten solche Naturkonstanten. Im Gravitationsgesetz beispielsweise steckt die Gravitationskonstante drin. Misst man nun noch die Masse von Erde und Mond und misst man dann den Abstand beider Himmelskörper zueinander, lässt sich mit ein wenig Mathematik die Umlaufbahn des Mondes um die Erde berechnen. Masse und Abstand muss man also messen bzw. berechnen, der Wert Gravitationskonstante aber steht von vornerein fest: Dahinter steckt die Erkenntnis, dass bei der Variation einiger Größen einer physikalischen Gleichung – etwa der des Gravitationsgesetzes – sich einige Größen mitändern, andere dagegen konstant bleiben.

Man sagt auch, sie seien „orts- bzw. zeitinvariant“. Egal wieviel Zeit ins Land geht und egal wo im Universum man misst, diese Naturkonstanten sind immer gleich groß. Immer? Bei einigen vermeintlichen Naturkonstanten ist man sich nicht mehr so sicher. Eine, deren Konstanz bezweifelt wird, ist die Feinstrukturkonstante. Sie legt die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung fest und ist alleine schon deshalb ein Grundpfeiler der modernen Physik – aber sie droht zu kippen, seit vor nicht einmal 10 Jahren ein Forscherteam um John Webb eine Studie veröffentlichte, laut der vor ca. 9 Milliarden Jahren die FK etwa um 0,0006 Prozent kleiner war, als sie es heute ist. Für diese kleine Sensation hatten die Forscher das Licht weit entfernter Quasare untersucht, ähnliche Messungen im Jahre 2004 ergeben hingegen aber konstante Konstanten.

Nichts Genaues weiß man also, jedoch gibt es mittlerweile weitere Hinweise, die ein ähnliches Ergebnis wie das von John Webb nahe legen. Etwa aus dem Naturreaktor Oklo. In dieser uralten, natürlichen Uranlagerstätte finden sich Spaltprodukte, die am besten mit einem geringfügig anderen Wert für die Feinstrukturkonstante erklärt werden können.

Grund genug also, sich einmal auszumalen wie es denn wäre, wenn einige oder alle NK in Wahrheit gar veränderlich wären:

  • Zunächst wären alle anderen, über Gleichungen mit der „Naturkonstanten“ verbundenen bzw. abgeleiteten Konstanten ebenso wenig konstant.

  • Wir hatten großes Glück (oder nicht?), dass bspw. unser Sonnensystem nicht weitaus früher entstand. Damals wären die Bedingungen andere gewesen und variable Naturkonstanten hätten unserem blauen, lebensfreundlichen Planeten einen Strich durch die Rechnung gehabt.

  • Heutige Gleichungen, die Konstanten postulieren, sind fehlerhaft und nur in Sonderfällen gültig. Im Rahmen allgemeinerer Gesetze werden ihre Konstanten variabel und unsere Annahmen und Berechnungen zu räumlich oder zeitlich weitentfernten Ereignissen, wie etwa dem Urknallmodell, sind falsch.

Verweise

  • Falsifikationismus: Ich finde es immer wieder faszinierend, wie die Physik sich selbst – furchtlos und in ihren Grundfesten – in Frage stellt und dadurch weiterentwickelt. Theorien sind Blaupausen für Experimente, deren Ergebnisse zur Präzisierung alter oder Entwicklung neuer Hypothesen führen. Anderswo hält man wider besseren Wissens an der jungfräulichen Geburt fest.

  • Stringtheorie: Ist die Stringlänge die fundamentale Naturkonstante?

  • Theorie: Die Qualität einer physik.Theorie nimmt mit abnehmender Naturkonstantenanzahl zu. Mit anderen Worten: Umso weniger Naturkonstanten eine Theorie benötigt, desto besser. So war beispielsweise der Radius des Wasserstoffatoms zu Beginn des 20. Jahrhunderts noch eine eigene Naturkonstante. Später aber fand man einen Weg diesen Radius aus der Elektronenladung, der Lichtgeschwindigkeit, dem Planckschen Wirkungsquantum, der Elektronen- und der Protonenmasse abzuleiten und präferierte diesen dann auch. Denn in der Physik sucht man immer nach Vereinheitlichung und Einfachheit.

Stand: 2015

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